川藏高速公路汶(川)马(尔康)段崩塌危岩发生机制与防治

成永刚，范安军，李 兵，赵晓彦

(1.四川公路工程咨询监理公司， 四川 成都 610041；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院， 四川 成都 610041；3.西南交通大学， 四川 成都 610031)

中国是世界上崩塌灾害最为严重的地区之一[1]，特别是自20世纪80年代以来，随着我国工程建设的高速发展，崩塌灾害在我国呈逐年加重趋势。崩塌在我国的各个区域基本上均有分布，但主要集中分布在地形变化大、地质构造作用强烈的地区，尤其是以环青藏高原第一阶梯的四川、云南、贵州、重庆、甘肃、青海等省最为严重，给人民群众的生命财产造成了极大损失，严重影响铁路、公路、水电站等基础设施的安全。

呈带状分布的公路边坡崩塌广泛，分布不连续，很难投入大规模的人力、物力和财力进行准确的调查，且发生破坏过程往往比较短暂，常常造成影响较大的安全事故。如2011年12月12日，湖南省怀新高速公路唐家湾在建隧道入口处约250 m3的巨石坠落造成4人死亡[2]；2014年7月17日，国道G213线四川阿坝茂县境内石大关乡超限站附近发生体积约3×103m3的崩塌，造成10人死亡，22人受伤；2016年3月8日，四川马边县S103省道K326+400处发生体积约160 m3的边坡崩塌，造成7人死亡……尤其是2008年5月12日的汶川大地震，崩塌造成的直接死亡人数达1万人左右，占全部死亡失踪人数的11.5%以上[3-4]。

作为世界上最危险的公路之一，川藏公路北线国道G317和南线国道G318，位于地形高差显著，构造活动强烈，山地灾害频发的青藏高原地带[5]。自20世纪50年代公路建成以来，沿线频发的泥石流、崩塌、滑坡等地质灾害每年都会发生交通中断和人员伤亡事故，严重影响了社会的稳定、经济的可持续发展和国防建设。如2001年4月25日，通海沟段大规模山体崩塌造成川藏公路2 km公路被毁，沿线四千多藏族同胞受灾；2008年10月5日，芒康县竹巴笼乡段发生3×104m3崩塌，造成长约3 km的线路受损和交通中断。2009年7月25日，作为川藏高速公路起点段的映汶段彻底关大桥受崩塌冲击而损坏，造成6人死亡。

2015年，以四车道标准建设的川藏高速公路北线汶马段每公里投资达2亿元以上，由于滑坡、泥石流、崩塌等灾害体具有典型高位、远程、隐蔽和群发特征，造成了巨大的施工难度、安全隐患、建设成本和工期压力，对崩塌危岩的形成机制和处治显得非常迫切。

1 川藏高速公路地质环境

川藏高速公路位于四川盆地和青藏高原过渡带，山体高大陡峻，峡谷深切，活动断裂发育，处于我国著名的强烈地震带——NE向龙门山断裂带和NW向鲜水河断裂带及SN向安宁河断裂带构成的“Y”字形构造带。高速公路分别经过基本地震烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度地区，其中Ⅶ度区占线路总长的57%，Ⅷ区占线路总长的37%，Ⅸ度区占线路总长的6%。

区内地层岩性复杂多变，第四系堆积层、沉积岩、岩浆岩和变质岩均有出露，基岩以泥盆系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系千枚岩、板岩或泥质灰岩和变质石英砂岩为主，崩坡积、冲洪积、泥石流堆积、冰水堆积和滑坡堆积为主的堆积体多分布于沟谷河岸两侧及山体下部。区内大部分地段气候属大陆性高原季风气候，垂直性差异明显，气候环境复杂多变，年平均气温6.3℃～7.0℃，年降水量753 mm～905 mm，年平均蒸发量1 527 mm左右,年均15 m/s以上大风40次。区内江河溪流纵横交错，河道狭窄，水流湍急、落差大，岷江汇百川至东南奔腾出山，线路多沿蜿蜒河道相伴而行。

2 崩塌危岩发生的主要机制

线路标高由东向西快速由约580 m抬升至3 000 m左右，在跨越少量构造剥蚀低山丘陵区后，进入山体风化卸荷作用强烈，不良地质体密集分布的高山峡谷构造剥蚀中高山地貌区。区内崩塌的发生是由其所处的特殊地质环境决定的，是内、外两种地质条件下的多因素共同作用的结果。

2.1 内部因素是崩塌形成的基本因素

地形地貌：川藏高速公路地形地貌对崩塌的主要作用体现在山坡的坡度和山坡的表面构造。由于峡谷深切、岸坡陡立，自然坡度多为50°～85°，多呈凸出山咀和凹陷岩腔状，坡体相对高差最高可达上千米，风化强烈，卸荷、河流冲严重，为区内崩塌的频繁发生提供了良好的地形地貌。

岩土类型：岩土体是产生崩塌的物质条件，不同性质、类型的岩土体发生崩塌的机率、规模均会有所不同[6-7]。川藏高速公路汶马段主要发育千枚岩、板岩、石英砂岩、砂泥岩和大型岩堆等地层，造成区内多发育软岩、较软岩的倾倒式和顺片理面的滑移式崩塌，软硬岩体差异风化主要发育坠落式崩塌，广泛分布的高位岩堆易形成滚落式崩塌。

地质构造：区内复杂的地质构造作用造成岩土体结构面发育，它为崩塌块体脱离母体提供了良好的边界条件。坡体中发育的节理、裂隙、断层、岩脉、褶皱等结构面，以及良好的高大临空面，为形成不同类型的崩塌提供了有利的条件。

2.2 外部因素是崩塌形成的重要激发因素

地震：川藏高速公路所经过的地区多为Ⅶ～Ⅸ度地震烈度区，地震活动频繁，是区内危岩崩塌高发的重要影响因素。地震作用造成岩体震松、折断，并向临空面抛出[8]，形成的崩塌具有规模大、密度高、破坏严重的特点。根据“5.12”地震后沿线公路的调查，由地震造成的崩塌密度达到了约1.4处/km，尤其是特大型崩塌相当发育，造成公路多被崩塌体掩埋、损坏，崩塌体堵塞或侵占河道相当严重。

气象：龙门山断裂区的前山、中央和后山断裂带内，岩体破碎，由于地形高差大、坡度陡，降雨极易造成岩体的快速充水而降低岩土体的稳定性，造成每年的七、八月为区内降雨型崩塌的高发期；而区内的高海拔特征，造成坡体冻胀作用明显，使每年四、五月为区内春融型崩塌的高发期。

人类活动：边坡的岩土体开挖，造成短时间内对坡体的应力场、位移场、渗流场形成了巨大的改造，使岩土体发生卸荷损伤，破坏了自然斜坡的平衡状态，促使岩体内部应变不断发展，继而在宏观表现为裂隙的扩展、融合，最终导致岩体失稳而发生崩塌落石。

3 崩塌危岩的基本特征

川藏高速公路在复杂的地质环境作用下，形成了多种类型的崩塌。按破坏模式可分为滑移式崩塌、倾倒式崩塌、坠落式崩塌和滚落式崩塌。崩塌破坏模式分类见图1。

(a) 滑移式 (b) 倾倒式

(c) 坠落式 (d) 滚落式

图1崩塌破坏模式示意图

4 崩塌危岩处治工程措施

川藏高速公路崩塌类型多、产生机制多样、危害程度各异[9]。在工程建设中，依据崩塌危岩的具体特征，采取针对性的工程处治措施。见图2。

图2崩塌病害主要防治工程措施

5 川藏高速公路崩塌危岩处治实例

5.1 ZK53+880—ZK54+140左侧

(1) 坡体地质条件。边坡位于突出山脊前缘陡崖部位，坡度呈75°～88°，坡向60°，高差约160 m。坡脚为河流侵蚀堆积地形，陡崖高速公路以桥梁的形式沿杂谷脑河谷底呈带状展布，桥面距坡脚高差约29 m。坡体主要由志留系茂县群(Smx2)绢云母石英千枚岩和变质石英砂岩构成，岩层优势产状为320°∠54°。主要发育有两组闭合充填节理：J1：125°∠29°，延伸1.5 m～2.5 m，间距0.2 m～0.5 m；J2：40°∠85°，延伸1.5 m～2 m，间距0.2 m～1.0 m。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。下半球赤平投影图见图3，工程地质断面图见图4。

(2) 崩塌发生机制。陡崖上部坡体沿临空面方向在长期卸荷和重力作用下向临空面发生倾倒，形成弯曲-拉裂式倾倒危岩体。整个陡崖在岩体片理面、多种结构面组合切割和差异风化的作用下形成多处腔径为7.7 m×3.5 m×4.3 m～18.4 m×5.1 m×4.1 m凹槽。为坠落式、滑移式崩塌提供了良好的地质环境。根据调查，该陡崖每年雨季都会发生落石现象，落石粒径多主要集中在0.5 m～1.0 m，最大直径可达3 m～5 m，大部分掉落于陡崖坡脚宽约10 m～30 m的范围内。

图3 下半球赤平投影图(ZK53+880—ZK54+140左侧)

图4工程地质断面图(ZK53+880—ZK54+140左侧)

(3) 工程处治方案。陡崖坡脚特大桥距离陡崖底约12 m，属于崩塌落石打击密集区。由于无法调整线路平面以躲避该地质灾害体，故不得不采用工程主动进行防护，其主要工程措施为：人工清除坡面浮石，在陡崖上部倾倒变形区设置锚固段位于强卸荷线以下垫墩锚杆结合挂网喷混凝土进行加固；全坡面设置直达坡脚的导石网，确保陡崖落石顺利到达坡脚；在桥墩部与陡崖坡脚之间设置落石槽，对导石网导落的块石进行拦截；对坡面凹腔采用锚杆混凝土嵌补，防止坡体的不均匀风化和对危岩进行有效支撑。

5.2 ZK56+455桑坪隧道进口左侧

(1) 坡体地质条件。桑坪隧道进口位于杂谷脑河右岸突出山脊前部，自然坡度约70°～80°，坡向330°，坡高约130 m，主要由夹结晶灰岩的志留系茂县群(Smx2)绢云母石英千枚岩和变质石英砂岩构成，岩层产状350°∠75°，隧道轴线与岩层走向小角度斜交，洞口区主要发育两组节理：J1：产状105°∠60°，延伸3 m～10 m，间距6 m；J2：产状311°∠82°，延伸2.5 m～8.0 m，间距1 m～2 m。节理面微张，有少量泥质充填物。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。桑坪隧道下半球赤平投影图见图5，桑坪隧道工程地质断面图见图6。

图5 桑坪隧道下半球赤平投影图

图6桑坪隧道工程地质断面图

(2) 崩塌发生机制。构成陡崖的岩体在片理面、结构面组合切割和差异风化的作用下，形成多处凹腔，造成坠落式、滑移式危岩多有掉落，落石块径最大可达4 m×5 m×3 m。尤其是工程施工期间，由于隧道开挖扰动，危岩掉落频率加剧，直接威胁下部隧道口的工程施工安全，若不采取措施，在降雨、地震等作用下，必然会对下部隧道和相连的克枯特大桥形成重大安全隐患。

(3) 工程处治方案。由于桥隧相连部位的山体高陡，采用坡面主动防护工程规模大，且施工相当困难。故结合隧道口河流高阶地较为宽阔的有利条件，在不影响河流行洪的条件下，决定对崩塌落石影响区的桥梁调整为路基与隧道相接。这样避免了桥梁一旦受到危岩破坏而很难修复的缺点，充分发挥了路基抗灾能力相对较强的特点，并在隧道口延伸明洞，明洞上部设置必要的倾向河侧的缓冲层，进一步提高线路的抗灾能力，达到对崩塌危岩的有效处治。

5.3 K59+960—K60+250段右侧

(1) 坡体地质条件。项目区位于南西向延伸山脊前缘，自然坡度65°～85°，边坡陡峻，高差800 m以上，坡向215°，坡体主要由志留系茂县群(Smx2)绢云千枚岩和石英片岩构成。岩层优势产状315°∠75°，主要发育四组平直构造节理：J1：195°∠36°，延伸0.5 m～2.5 m，间距0.3 m～0.5 m；J2：58°∠78°，延伸0.5 m～1.3 m，间距0.4 m～1.2 m；J3：345°∠55°，延伸0.2 m～0.5 m，间距0.2 m～0.5 m；J4： 239°∠79°，延伸1.5 m～2.5 m，间距0.3 m～0.8 m。山脊坡面冲沟发育，坡面多有凹腔、起伏不平，曾发生多次崩塌失稳灾害。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。下半球赤平投影图及工程地质断面图见图7、图8。

图7 下半球赤平投影图(K59+960—K60+250段右侧)

图8工程地质断面图(K59+960—K60+250段右侧)

(2) 崩塌发生机制。根据现场调查及遥感影像分析，边坡岩体风化、卸荷作用强烈，沿岩体软弱层和片理面冲沟发育，造成冲沟周边危岩密集分布，在降雨、冻融、地震、重力等作用下，历史上曾多次发生倾倒式、滑移式、坠落式和滚落式崩塌，落石直径多为0.5 m×0.5 m×0.5 m～4 m×5 m×3 m。

(3) 工程处治方案。项目区山体高陡，多种形式的崩塌频发而冲击能量大，加之工程工期紧张，考虑到线路以路基形式通过，结合项目区坡脚存在较宽的河流阶地等有利条件，决定在坡脚路基部位设置装配式棚洞被动防护方案。即棚洞结构的桩柱及纵梁采用现浇型式，而棚洞顶板采用预制装配的方式，以快速完成工程施工。放弃了工程施工速度较慢、全部现浇和对地基整体强度要求较高的明洞防护方案。棚洞上部根据危岩落石的冲击能量，设置厚约4 m碎石土缓冲层，并在其中设置厚70 cm的EPS缓冲层，以进一步提高棚洞的抗冲击能力。

5.4 ZK69+257—ZK69+532左侧

(1) 坡体地质条件。项目区属构造剥蚀高山峡谷的上缓下陡形台阶状地貌，自然边坡高约400 m，其上部较缓边坡坡度约40°，下部陡崖坡度约70°～80°，崖顶与坡脚高差约190 m，坡向50°，线路以大桥的形式从坡脚通过，桥面高出河道约6 m。坡体主要由志留系茂县群(Smx4)绢云母千枚岩和夹少量条带—薄层状变质细砂岩构成。由于坡体位于桃坪倒转背斜核部，造成坡体褶皱、挤压破碎带发育。边坡优势产状345°∠77°，属陡倾斜交结构边坡。项目区地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。下半球赤平投影见图9，工程地质断面图见图10。

图9 下半球赤平投影图(ZK69+257—ZK69+532左侧)

图10工程地质断面图(ZK69+257—ZK69+532左侧)

(2) 崩塌发生机制。陡崖上部较缓自然边坡，由于风化、冻融、地震、降雨和动物扰动，常有块径可达0.3 m～0.8 m落石滚落；陡崖顶部向下约14 m～100 m的范围内，由于岩体片理面陡倾而临空面高大，强烈风化、卸荷岩体在上部岩体重力作用下发生倾倒-拉裂变形，并分别发育有两条平行于坡体走向、宽约4.0 m～15.1 m、长约89.7 m和52.7 m长的锯齿状卸荷张拉裂缝，其可见深度约7 m。倾倒变形体沿底部切割结构面发生折断，局部可见架空孔洞。该倾倒体坐落于相对完整坚硬的石英绢云母千枚岩“基座”上，在降雨、地震等作用下存在形成倾倒式崩塌的可能。陡崖坡面由于岩体片理面与结构面的切割和风化、卸荷作用，在降雨和地震时多次发生粒径为0.5 m～1.0 m的坠落式落石。

(3) 工程处治方案。清除坡面浮石、危岩，在贯通性张拉裂缝后部设置被动网，对崖顶后部缓坡地段的小型落石进行拦截；对崖顶倾倒体采用挂网喷混凝土和设置垫墩锚索进行预加固，防止倾倒体在风化和卸荷作用下稳定性进一步降低；在陡崖顶部锚固工程上部设置张口式导石网，对陡崖上部和陡崖坡面上分布的零星危岩进行防护；在坡脚桥墩部位设置拦石墙，利用废弃的G317国道形成落石槽，防止落石在坡脚直接冲击桥墩，并作为导石网拦截落石的停积场地。

5.5 薛城1号隧道进口

(1) 坡体地质条件。项目区坡体位于近南北向延伸条状山脊前缘，自然边坡高约200 m～300 m，坡度约60°～85°，坡向130°。在距坡脚约20 m的部位线路以桥隧相连的形式通过。坡体主要由泥盆系(Dwg2)千枚岩、绢云母石英千枚岩、炭质千枚岩组成，夹少量变质石英砂岩和石英岩，岩层片理优势产状为355°∠65°。边坡由于长期重力作用形成体积约40×104m3的大型倾倒体，倾倒体优势产状320°∠10°，主要发育的三组平直构造节理： J1：产状145°∠75°，延伸5 m～10 m，间距1 m～3 m；J2：30°∠65°，延伸4 m～8 m，间距0.2 m～0.7 m；J3：产状190°∠52°，间距0.5 m～1.2 m，延伸长度5 m～10 m左右。项目区地震动峰值加速度0.15g，地震基本烈度Ⅶ度。下半球赤平投影图见图11，工程地质断面图见图12。

(2) 崩塌发生机制。根据隧道开挖地质编录和现场调查，大型倾倒体厚约20 m～30 m，整体处于基本稳定状态。但由于大型倾倒变形作用，坡体节理裂隙发育，在隧道开挖作用下，大型倾倒体存在稳定性逐渐降低的可能。此外，由于坡体岩性软弱，受风化剥蚀、地表水冲蚀等因素影响，坡面形成多条沟槽，坡表岩体被切割成零散块状。地貌突出部位形成的危岩体，其体积多200 m3～1 000 m3，在重力、降雨、地震等作用下极易形成坠落、倾倒、滑移和滚落式崩塌，对下部隧道洞口及桥梁构成巨大的威胁。

图11 薛城1号隧道下半球赤平投影图

图12薛城1号隧道工程地质断面图

(3) 工程处治方案。清除坡面浮石、危岩，对坡面崩塌落石区设置挂网喷混凝土进行封闭，以确保工程施工安全；对大型倾倒体采用预应力锚索加固，使其安全系数达到规范要求的稳定状态，并继而有效的对坡体浅层发育的坠落式、滑移式和倾倒式危岩进行加固；采用长锚杆对隧道通过的倾倒体范围内围岩进行加固，尽可能减小隧道开挖形成的松弛圈对大型倾倒体的整体或局部稳定性影响；在坡体上部合适部位设置被动网加强坡体顶部坡面滚落式危岩的防护；隧道口桥梁上设置柔性明洞，进一步提高线路的抗灾能力。

6 结 语

(1) 川藏高速公路崩塌极为发育，具有机制复杂、隐蔽性高、规模大和危害强、发生突然、防治困难的特点，在我国崩塌研究中具有典型性和代表性。

(2) 环青藏高原东侧第一阶梯坡降区的复杂地形地貌，是川藏高速公路崩塌发育的根本原因之一，其地形陡、坡降大，岷江、大渡河流经的高山峡谷区，为崩塌危岩的发生奠定了良好的地形地貌基础。

(3) 环青藏高原边缘的新构造运动强烈、活跃，地震作用强烈而频发，河流持续下切和青藏高原持续隆升，造成川藏高速公路所经地区的高陡峡谷区发生了强烈的动力作用过程，促进了危岩的形成和崩塌的发生。

(4) 川藏高速公路汶马段所经地区气候极为恶劣，暴雨集中，海拔高而存在较为广泛的季节性冻土层。暴雨和春融期间是区内崩塌落石发育的高峰期。

(5) 川藏高速公路的大规模修建，人类活动在短时间内对坡体的应力场、渗流场、温度场等产生了较大的改变，使原有的自然营力条件下形成的边坡稳定性失去平衡而导致崩塌的发生，这是工程建设期间崩塌灾害呈现大规模上升的直接原因。

(6) 川藏高速公路崩塌具有复杂的形成机制，滑移式、倾倒式、坠落式和滚落式崩塌均有发育，且常与滑坡交织在一起，往往需对坡面、边坡和进行坡体综合治理才能对崩塌危岩进行有效防治。